Шум действительно помогает нейронам распознавать слабые сигналы среды или других нейронов.
На схеме типичной синусоидой показана волна стимула. Им может быть все что угодно: звук, образ, цепочка потенциалов действия от других нейронов или даже чудесное стихотворение из бессознательного. Прерывистая линия — это нейронный порог потенциала действия. Обратите внимание, что синусоида нигде не пересекает порог. Поэтому сигнал на выходе пуст. Это слабый сигнал без шума — он неуловим.
Теперь взгляните, что происходит, когда с сигналом сочетается оптимальный уровень шума, — он показан зубчатой линией на синусоиде. Шум частично пересекает порог (прерывистую линию), и нейрон выстреливает потенциалы действия, что отражено вертикальными черточками над линией сигнала на выходе.
Заметьте, что там, где шум пересекает порог, потенциалы действия соответствуют частоте нерегистрируемого сигнала. Поэтому на выходе мы получаем слабый сигнал. По сути, информация передается через шум.
Этот механизм работает и на уровне органов чувств: шум усиливает подпороговые звуки, улучшает нечеткие изображения. Знаменитый пример стохастического резонанса в исследованиях зрительного восприятия — картинка лондонских часов Биг-Бен.
Слева Биг-Бен запечатлен в черно-белой гамме с разрешением в 256 × 256 пикселей. Каждый пиксель на картинке, пересекая порог восприятия, вызывает потенциал действия, — принцип тот же, что и в нейронах мозга. Слегка усиливая шум, увеличивая максимум и минимум случайных значений, мы постепенно достигаем резонансной интенсивности шума, которая создает четкий рисунок посередине: оптимальный уровень шума улучшает сигнал. Когда шума становится слишком много, изображение портится, как на иллюстрации справа. Если начертить график этой динамики, получится опрокинутая парабола.
* * *
Не ты ли был вечно весь в ожидании, словно тебе все сулило возлюбленную?
Рильке. Первая дуинская элегия[45]
Я учился в аспирантуре в Швеции и под руководством психолога Сверкера Сикстрема исследовал благотворное влияние шума на детей с СДВГ. Мы разработали модель воздействия стохастического резонанса на дофаминовую систему мозга, опираясь на неожиданное открытие психолога Ерана Содерлунда о том, что рассеянные средовые шумы помогают детям с СДВГ запоминать инструкции. Мы предположили, что шум может заменять амфетамины.
Люди с СДВГ часто обладают меньшим объемом рабочей памяти. Рабочая память — это способность временно удерживать в голове информацию после того, как она исчезает из окружения. Кто-то оттарабанил вам номер телефона: как надолго вы его запомните? Сможете ли вы воспроизвести весь набор цифр или совпадут только некоторые?
Благодаря мобильным технологиям мы редко упражняем рабочую память. Однако это важнейший элемент мышления. И если она слаба, приходится заменять ее чем-то еще, например, техниками тайм-менеджмента.
Ученые полагают, что дефицит рабочей памяти при СДВГ связан с уровнем дофамина в префронтальной коре. Дофамин — один из нейромедиаторов, синтезируемых в мозге. Кроме него у нас еще имеются серотонин, норадреналин, ацетилхолин и другие. Без них мы бы не смогли ничего чувствовать, да и вообще думать.
Дофамин участвует во многих важных психических функциях: в обучении, запоминании, наслаждении и мотивации. Из-за генетических мутаций, которые приводят к сниженному уровню так называемого тонического дофамина (постоянного уровня дофамина в синаптической щели), люди с СДВГ имеют «взрывной» или повышенный фазовый дофаминовый ответ на внешнюю и внутреннюю стимуляцию. Дети с СДВГ должны быть очень сильно заинтересованы в деятельности, требующей внимания. Но это трудно, и мозг всегда стремится поддерживать гомеостаз, — дисбаланс часто сглаживается компенсаторным механизмом. Так, при низком тоническом дофамине мозг пациента с СДВГ наверстывает дефицит большими объемами фазового дофамина в ответ на любые стимулы.
Фазовый дофамин мы, «обычные люди», получаем, выкуривая сигарету, выпивая бокал виски или вина, занимаясь сексом, принимая кокаин, поедая дорогой шоколад или бездельничая. Дофамин наполняет мозг, и тому приходится фокусироваться. Но для людей, страдающих СДВГ, всплеск дофамина может вызвать все что угодно. Более того, даже их собственные мысли и желания порой вызывают объемные выбросы дофамина.
В здоровом мозге избыточный дофамин в синаптических щелях появляется как награда, а потом исчезает, чтобы сохранить баланс между тоническим и фазовым дофамином. Но тонический, то есть постоянный уровень дофамина у нас стабильно высок. Он позволяет нам оставаться внимательными и мотивированными. В мозге пациента с СДВГ дофамин в синаптических щелях «подчищается», пока его не остается слишком мало, а стимуляция вновь вызывает избыток вещества. Как следствие, дети с СДВГ чересчур чувствительны к внешним стимулам. Это объясняет многочисленные поведенческие симптомы детей с СДВГ: отвлекаемость, импульсивность, трудности удержания внимания и рассогласованность деятельности. Их вечно швыряет из одной крайности в другую — от чрезмерного возбуждения до полной апатии.
Амфетамины и кокаин блокируют обратный захват дофамина и стимулируют его синтез. Небольшие дозы лекарств на основе производных амфетамина успокаивают людей с СДВГ и позволяют им собраться. Тормозя обратный захват дофамина, лекарства увеличивают тонический уровень этого нейромедиатора, одновременно снижая интенсивность фазовых всплесков.
Кокаин доставляет удовольствие, потому что не только блокирует обратный захват дофамина, но и вызывает его сильный приток. Со временем мозг прекращает синтезировать и высвобождать дофамин самостоятельно, так как приспосабливается к искусственному источнику.
Без дофамина жизнь крайне неинтересна и безрадостна. И мы еще не знаем, каковы долгосрочные последствия приема лекарств от СДВГ, особенно для здорового молодого мозга. Вполне возможно, что происходит адаптация: в мозге вырабатывается меньше естественного дофамина, и в дальнейшем поколение, принимавшее таблетки, столкнется с депрессией.
Мы задались вопросом, не будет ли рассеянный фоновый шум действовать на детей с СДВГ так же, как амфетамины. Мы предположили, что стабильное повышение шума в окружении увеличит тонический дофамин и улучшит процесс запоминания. Иными словами, чтобы собраться, детям с СДВГ нужно больше внешнего шума, чем детям без СДВГ.
Мы дали детям задание на зрительную память: за 1 секунду требовалось запомнить расположение нескольких квадратов на решетке. Обычно дети с СДВГ запоминали лишь 3 или 4 квадрата. Однако при сопутствующем звуковом шуме они верно воспроизводили 5, 6 и даже 7 позиций, что соответствует нормальному объему зрительно-пространственной рабочей памяти у школьников.
Когда дети с СДВГ слушали шум, на ЭЭГ отмечалось поразительное увеличение мозговой активности. Усиленный нервный отклик означал, что их мозгу необходим фоновый шум, чтобы справляться с повседневными задачами. Шум, как и амфетамин, обеспечивал повышенный тонический уровень дофамина, который позволял детям удерживать внимание на значимой для выполнения задания информации.
Я подозреваю, что заметную роль в увеличении уровня заболеваемости СДВГ играют культурные и экономические факторы. Запросы экономики нездорово высоки, и многие дети, которые в прошлом не заболели бы СДВГ, попадают в группу риска. Среди школьников 2–10 % имеют данный диагноз, а в тюрьмах СДВГ больны до 40 % заключенных. Дети, которых не лечат от СДВГ, вырастая, чаще становятся наркоманами. Похоже, эти люди, ускользнувшие от внимания педагогов и медиков, самостоятельно лечат себя веществами, которые стимулируют их мозг.
Любопытно, что дети с СДВГ также отличаются меньшей слаженностью сети пассивного режима работы мозга. Из нее часто выпадает один из узлов, предклинье. В состоянии покоя спонтанные колебания в сети пассивного режима работы мозга у детей с СДВГ протекают быстрее, чем в норме. То есть эти дети живут на другой длине волны. Им трудней «выключать» сеть пассивного режима работы мозга. А чтобы отдыхать, им нужно утомляться, работать.
На протяжении тысячелетий благодаря механизму стохастического резонанса шум на земной орбите способствует смене климатических циклов, и этот же принцип помогает мозгу детей с СДВГ за секунду переключаться между сетями целенаправленной и нецеленаправленной активности. Если у вас есть прибор МРТ, оборудование для ЭЭГ, 20–30 детей с СДВГ, несколько первоклассных программистов, свободная суббота, титаническое терпение, сладости для малышей и немного виски для взрослых, вы и сами можете повторить этот эксперимент. Напишите потом мне, как все прошло.
